Artykuły

Wraz z rozwojem przemysłu, na całym świecie rosła konsumpcja energii elektrycznej (Luty et al., 2023). W przeważającym stopniu odpowiedzią na rosnące zapotrzebowanie energetyczne był silny wzrost wykorzystania nieodnawialnych źródeł energii (Fouquet, 2009). Współczesne społeczeństwa cechuje wzrost świadomości w zakresie zrównoważonego rozwoju oraz poczucie odpowiedzialności za otoczenie naturalne. W wyniku tego dąży się do zaspokojenia potrzeby na energię elektryczną poprzez zwiększenie wydajności aktualnie wykorzystywanych jej źródeł oraz ukierunkowanie się na źródła o charakterze odnawialnym. Jednym z głównych tego typu źródeł energii jest energia wiatrowa. Dzięki jej wykorzystaniu można zasilać w energię elektryczną nie tylko małe domy, ale i urządzenia elektryczne na skalę przemysłową (Du et al., 2020). Spośród wszystkich źródeł energii odnawialnej energia wiatrowa znajduje się na drugim miejscu stanowiąc 13.2% z ogółu. Największy udział stanowią biopaliwa stałe 41.4%, natomiast na trzecim miejscu zaraz za energią wiatrową znajduje się energia pochodząca z elektrowni wodnych 11.9% (Statistical Office of the European Communities, 2023). W treści tego artykułu znajdą się odpowiedzi na takie pytania jak to, dlaczego turbiny wiatrowe zyskują coraz większą popularność, jakie są zalety ich stosowania, z jakimi problemami można spotkać się podczas ich eksploatacji oraz do jakich uszkodzeń dochodzi najczęściej.

Historia turbin wiatrowych wykorzystywanych jako źródło energii elektrycznej sięga XIX wieku. Pierwszym tego typu obiektem była turbina postawiona w miejscowości Ascov, w Danii, w roku 1891 (Rys.1). Miała wysokość dwudziestu trzech metrów a rozpiętość jej łopat wynosiła dwadzieścia trzy metry. Takich rozmiarów turbina generowała moc od pięciu do dwudziestu pięciu kilowatów energii (Fleming & Proben, 1984).

Rys. 1. Pierwsza turbina wiatrowa, zdjęcie wykonano w Ascov, Dania, 1897,
Źródło: Poul La Cour Foundation

Obecnie największa funkcjonująca turbina wiatrowa na świecie to MySE 16-260 produkcji Mingyang Smart Energy (Rys. 2). Jest to offshorowa turbina wiatrowa, tzn., że przeznaczona jest do użytkowania poza obszarem lądowym. Została uruchomiona i podłączona do sieci elektrycznej w lipcu 2023 roku. Według danych producenta średnica łopat wynosi 260 metrów. Wysokość wieży, na której znajduje się jej gondola to 152 metry. Sama gondola waży 385 ton a każda z trzech łopat 54 tony. Producent przewiduje, że turbina ta co godzinę będzie w stanie dostarczyć sześćdziesiąt sześć gigawatów energii do chińskiej sieci energetycznej zasilając sześćdziesięcioma siedmioma milionami kilowatogodzin energii, co powinno zaspokoić potrzeby blisko osiemdziesięciu tysiącom mieszkańców. Szacuje się, że jej wykorzystanie pozwoli również na zmniejszenie emisji CO₂ o pięćdziesiąt sześć tysięcy ton rocznie (Blain Loz, 2023).

Rys. 2. Największa turbina wiatrowa, MySE 16-260, Cieśnina Tajwańska, Chiny, 2023,
Źródło: China Three Gorges Corporation

Zadaniem turbiny wiatrowej jest konwersja energii kinetycznej zmagazynowanej w strumieniu powietrza na energię elektryczną. Jak podają autorzy pracy (Hau, 2013) można powyższe zadanie zrealizować na wiele różnych sposobów, lecz nie każdy z nich jest uzasadniony ekonomicznie. Poniżej omówiona zostanie budowa najczęściej spotykanych rozwiązań turbin wiatrowych. Podziału urządzeń przetwarzających energię wiatrową na energię elektryczną można dokonać na dwa sposoby. Pierwszy z nich odnosi się do funkcji aerodynamicznej wirnika turbiny, drugi natomiast odnosi się do zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego. Funkcja aerodynamiczna wirnika charakteryzuje się tym, czy konwerter energii wiatrowej czerpie swoją moc wyłącznie z oporów aerodynamicznych strumienia powietrza działającego na powierzchnię wirnika, czy też może wykorzystać siłę nośną wytwarzaną przez przepływ po odpowiednio ukształtowanych powierzchniach (Hau, 2013). Z punktu widzenia zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego najłatwiej jest dokonać podziału z uwagi na kierunek usytuowania osi obrotu łopat wirnika tj. na turbiny o pionowej i poziomej osi obrotu.

Turbiny wiatrowe o osi pionowej mogą zarówno być turbinami wykorzystującymi opór aerodynamiczny – Turbina Savoniusa (Rys. 3a) jak i wykorzystującymi siłę nośną łopaty wirnika – Turbina Darrieusa (Rys. 3b) i Turbina typu H (Rys. 3c).  Główną zaletą tego typu rozwiązań jest możliwość umieszczenia głównych mechanizmów oraz generatora na poziomie gruntu. Turbina Darrieusa składała się z zakrzywionych łopat, najczęściej dwóch lub trzech, osadzonych na wspólnym wale (Castellani et al., 2019). Ze względu na swój kształt łopaty te są bardzo trudne w produkcji i nie dają możliwości zmiany prędkości poprzez zmianę konta natarcia. Turbina typu H w przeciwieństwie do Turbiny Darriesusa pozwalała na kontrolę prędkości mocy w pewnym zakresie (Hau, 2013).

Rys. 3. Rodzaje turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu: a) Turbina Savouniusa, b) Turbina Darrieusa, c) Turbina typu H, Źródło: Castellani et al., 2019

Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu wirnika (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine) zyskały największą popularność przede wszystkim ze względu na ich główne zalety jakimi są: możliwość kontrolowania prędkości oraz generowanej mocy wyjściowej dzięki zmianie kąta natarcia profilu łopaty oraz możliwość optymalizacji kształtu łopaty z punktu widzenia generowanej na jej powierzchni siły aerodynamicznej. Dzięki temu możliwe jest reagowanie na zmieniające się warunki pogodowe. Co do zasady turbina wiatrowa o osi poziomej działa w następujący sposób: strumień powietrza napływa na wirnik i poprzez generowanie się siły nośnej na łopatach wirnika wprawia go w ruch obrotowy. Ilość energii wygenerowanej przy użyciu turbiny wiatrowej zależy od prędkości wiatru oraz sprawności całego układu. Na rysunku 4 zaprezentowano podstawowe elementy wchodzące w skład współczesnej siłowni wiatrowej o poziomej osi obrotu.

Rys. 4. Budowa turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu Źródło: Encyclopedia Britannica, 2023

Kolumna – jej zadaniem jest przede wszystkim utrzymanie ciężaru gondoli. Powinna charakteryzować się wysoką wytrzymałością a wykonana może być zarówno w postaci masztu jak i kratownicy.

Wirnik – to z jego pomocą energia kinetyczna strumienia powietrza przekazywana jest do generatora poprzez wał, na którym jest osadzony.

Łopaty – osadzone na wirniku zapewniają generowanie siły nośnej i obrót wirnika. Dzięki serwomechanizmom możliwy jest ich obrót tj. zmiana skoku, dzięki czemu można kontrolować prędkość z jaką wirnik będzie się obracał.

Mechanizm obrotu gondoli – zapewnia możliwość ustawienia osi wirnika w kierunku na wiatr.

Generator – funkcją generatora jest zamiana energii mechanicznej w elektryczną. Najczęściej stosowane są szybkoobrotowe trójfazowe generatory asynchroniczne oraz synchroniczne prądu przemiennego. Turibny wiatrowe wykonują od 15 do 20 obrotów na minutę przy sile wiatru od 3 do 9 w skali Beauforta tj. 4 – 25 m/s. Wymaga to w przypadku generatorów szybkoobrotowych zastosowania przekładni mechanicznej zwiększającej prędkość obrotową wału napędowego generatora.

Energia elektryczna wytwarzana z użyciem generatora turbiny wiatrowej musi mieć parametry zgodne z siecią, do której jest podłączona. Dużym wyzwaniem, ze względu na podmuchy wiatru o różnym nasileniu, jest zapewnienie stabilności napięciowej i częstotliwościowej. Do najczęściej spotykanych sposobów regulacji mocy turbiny należą: regulacja przez przeciągnięcie (stall regulation), regulacja poprzez zmianę skoku łopat (pitch regulaton), poprzez zmianę prędkości obrotowej generatora, poprzez zmianę obciążenia (load control), regulację lotkami łopat (aileron control) oraz poprzez zmianę kierunku (yaw control). W przypadku regulacji poprzez zmianę skoku łopaty kontroler turbiny analizuje moc wyjściową z dużą częstotliwością i w momencie osiągnięcia zbyt wysokiej wartości wysyła sygnał do sterownika silnika zmieniającego kąt natarcia łopaty zmniejszając w ten sposób prędkość obrotową wału wirnika. Regulacja przez przeciągnięcie polega na takim wyprofilowaniu łopaty, w której w wyniku przepływu strugi powietrza ze zbyt dużą prędkością powstają turbulencje ograniczające prędkość obrotową wirnika – w takiej sytuacji mówi się o systemie pasywnym. Regulacja poprzez zmianę kierunku polega na odchyleniu się osi wirnika od kierunku natarcia strugi powietrza. W przypadku małych turbin może mieć ona charakter pasywny tj. zmiana kierunku usytuowania osi wirnika (całej gondoli) mam miejsce poprzez opływ wiatru profilu chorągiewki kierunkowej. W przypadku systemu aktywnego obrót gondoli realizowany jest poprzez silnik kierunkowy. Kontrola poprzez zmianę obciążenia polega na zmianie wartości rezystancji, która stanowi obciążenie generatora. Regulacja mocy turbiny z zastosowaniem lotek zakłada zmianę profilu aerodynamicznego łopaty i przez to siły nośnej przez nią generowanej. Rozwiązanie to jest rzadziej spotykane. Niektóre generatory pozwalają również na zmianę wartości poślizgu co pozwala na regulację wartości generowanej przez nie mocy (Turoń, 2020).

Najczęściej dochodzi do uszkodzeń płatów wirnika ponieważ to właśnie one są najbardziej obciążonymi elementami konstrukcji siłowni wiatrowej (Katsaprakakis et al., 2021). Uszkodzenia te można podzielić ze względu na zjawiska, które się przyczyniają do ich powstania tj:

• uszkodzenie pochodzące od uderzeń pioruna
• uszkodzenia będące skutkiem zmęczenia materiału
• erozja
• uszkodzenia spowodowane oblodzeniem

Jak podają źródła przywołane w pracy (Katsaprakakis et al., 2021) od 5 do 6% turbin zostaje uderzonych piorunem w okresie około 3 lat eksploatacji. Blisko dziewięćdziesiąt procent uszkodzeń spowodowanych uderzeniem pioruna dotyczy powierzchni łopaty wirnika w odległości do 1 m od jego końca. W wyniku uderzenia pioruna najczęściej dochodzi do delaminacji (Rys 5a). Spowodowane jest to gwałtownym wzrostem ciśnienia oraz degradacją żywicy w wyniku wzrostu temperatury. Delaminacji towarzyszą często przebicia i przypalenia laminatu w miejscu uderzenia. W wyniku uderzenia pioruna może dojść również do rozwarstwienia powierzchni łopaty (Rys. 5b). Jest to spowodowane wzrostem ciśnienia wewnątrz. Dodatkowo odparowywanie wilgoci zgromadzonej w jej wnętrzu może ten proces zintensyfikować (Katsaprakakis et al., 2021). Silne uderzenie pioruna może doprowadzić do oderwania się części łopaty wirnika, choć częściej jest to wynikiem procesów zapoczątkowanych przez rozwarstwienie się powierzchni łopaty i podobnie jak oderwanie się jej czubka ma miejsce w sytuacji, kiedy uszkodzony laminat nie jest w stanie dłużej przenosić obciążeń mechanicznych i pęka (Rys. 5c). O ile naprawa delimaniacji może zająć do kilku godzin to w przypadku oderwania się części płata siłownia wiatrowa może być niezdatna do dalszego użytkowania przez blisko tydzień. Zakłada się, że w okresie 20 lat eksploatacji każda turbina wiatrowa zostanie uderzona dwa, trzy razy piorunem zdolnym do jej uszkodzenia (Katsaprakakis et al., 2021).

Rys. 5. Uszkodzenia łopaty wirnika w wyniku uderzenia piorunem a) delaminacja, b) rozwarstwienie c) oderwanie się części łopaty, Źródło: Katsaprakakis et al., 2021

Ze zmęczeniem materiału mamy do czynienia wówczas, kiedy nie jest on zdatny dłużej przenosić obciążenia o charakterze cyklicznym. Obciążenia o takim charakterze generowane są w objętości łopaty w wyniku działania wiatru, jego podmuchów czy turbulencji generowanych na jej powierzchni. Podobnie cykliczne obciążenia wynikają z czasowego uruchamiania i zatrzymywania wirnika czy ruchów gondoli. W przypadku uszkodzenia wywołanego zmęczeniem materiału początkowo pojawia się niewielkie uszkodzenie, które w kolejnej fazie propaguje aż do momentu całkowitego pęknięcia. Dotyczy to nie tylko łopat wirnika, ale także kolumny na której posadowiona jest gondola. Przykładem może być katastrofa związana z uszkodzeniem turbiny wiatrowej w roku 2013 w Japonii.  Na rysunku 6 wskazano miejsce pęknięcia zmęczeniowego oraz skutki upadku gondoli. Co ważne do uszkodzenia doszło w 12 roku eksploatacji turbiny, której cykl życia powinien wynieść 20 lat. W Japonii znajduje się co najmniej 120 turbin tego samego projektu (Liu & Ishihara, 2015).

Rys. 6. Pęknięcie zmęczeniowe turbiny na farmie wiatrowej Taikoyama, 2013, Źródło: Liu & Ishihara, 2015

Erozja (Rys.7) najczęściej pojawia się na krawędzi natarcia łopaty wirnika. Spowodowana jest cząsteczkami zawieszonymi w strudze powietrza takimi jak krople deszczu, kurz, sól czy piasek. Postępująca erozja krawędzi natarcia powoduje wzrost oporów powietrz co w konsekwencji prowadzi do spadku wydajności siłowni wiatrowej. Do wyraźnego pogorszenie sprawności turbiny w wyniku działania erozji może dojść już po 2 latach eksploatacji.

Rys. 7. Postępująca erozja krawędzi natarcia łopaty wirnika, Źródło: Katsaprakakis et al., 2021

Oblodzenie atmosferyczne to osadzanie się lodu lub śniegu na elementach wystawionych na działanie atmosfery. Można wyróżnić dwa różne typy oblodzenia atmosferycznego: oblodzenie w chmurach (szron lub glazura) i oblodzenie opadowe (marznący deszcz lub mżawka, mokry śnieg). Każde z nich prowadzi do pogorszenia się sprawności turbiny. Poprzez zmianę kształtu profilu łopaty wzrasta opór powietrza i maleje generowana siła nośna. Co więcej oblodzenie może prowadzić do znacznego wzrostu obciążenia zarówno łopat jak i kolumny utrzymującej gondolę. W przypadku niesymetrycznego oblodzenia może dochodzi również do powstawania drgań, które w konsekwencji przyczynią się do gwałtownego rozrostu pęknięć i uszkodzenia w wyniku zmęczenia materiału (Katsaprakakis et al., 2021).

Technologia polegająca na wytwarzaniu energii elektrycznej w wyniku oddziaływania wiatru na łopat turbiny wiatrowej niesie za sobą szereg korzyści. Najbardziej oczywistym jest fakt, że w trakcie eksploatacji nie emitują gazów cieplarnianych przez co nie degradują środowiska naturalnego. Ponadto w wyniku wytworzenia energii nie powstają odpady stałe. Dzięki temu, że wiatr jest czynnikiem, który mimo zmian klimatycznych, nie zniknie z powierzchni ziemski nie zabraknie źródła energii. Nie bez znaczenia jest również możliwość instalacji farm turbin wiatrowych na terenie oddalonym od źródła poboru prądu. Dzięki stosunkowo niewielkim stratom na przesyle możliwe jest budowanie bardzo dużych turbin o dużej wydajności poza obszarem lądowym. Dzięki rozwojowi technologii towarzyszących sam proces obsługi oraz stale skracający się okres od projektu do instalacji powoduje, że energia pochodząca z turbin wiatrowych staje się coraz bardziej konkurencyjna w stosunku do źródeł konwencjonalnych. Technologia ta wydaje się być bardzo dobrym rozwiązaniem problemów energetycznych i jest dostępna w zasadzie w każdym miejscu na ziemi. Niemniej jednak nie jest ona pozbawiona wad. Jednym z wyzwań jest akceptacja społeczna. Coraz częściej możemy spotkać się z sytuacją, w której na naturalnym krajobrazie rysują się wieże turbin wiatrowych. Poza zwykłą estetyką dochodzi obawa przed hałasem generowanym podczas pracy turbiny. Tym samym można dostrzec problem wynikający z ograniczonej powierzchni, na której można instalować tego typu obiekty. Może dochodzić do sytuacji wzrostu cen gruntów na terenach, które wcześniej mogłyby być przeznaczone na zabudowę mieszkalną. Oczywiście rozwiązaniem tych problemów może być rozwój gałęzi turbin wiatrowych typu offshore. Ostatnim problemem, które może stanowić największe wyzwanie jest niestabilność wiatrów, od których w największym stopniu zależy efektywność farm wiatrowych. Uszkodzenia płatów turbiny mogą być kosztowne a ich bagatelizowanie może doprowadzić do wykładniczego wzrostu kosztów przywrócenia sprawności całej siłowni wiatrowej. Dlatego też ważne jest stałe monitorowanie ich stanu technicznego.